王晨，苏伟峰，陈道来，周子欣，王宁波，郑国栋，马浴菁，连慧玉

（1.上海对外经贸大学；2.无锡太湖学院）

1 引言

随着社会的飞速发展，我国城市正处于发展阶段，现状呈现建设规划不全面、亟待完善与提升、局部区域人口密度大、阶段性人流密度大等特点。旅游景区、各大公园、大型商业街等是任何一级政府注重投入的发展经济的产业，也是一个城市重要的名片，但是公共厕所却成为了让人诟病的地方，公厕所长期存在的脏乱差，给游客留下了不好的印象。特别在黄金周时间游客扎堆、如厕排队，几乎已经成为了节日里的普遍现象。这样一来严重影响了旅客进行二次销售的欲望。大型体育赛事(国际马拉松等)、各种大型展会、大型演出等时间短、人流量过大的大型活动[1]。由于公厕数量少，男女厕所比例不合理[2]，厕所排局不合理等。导致公众急事不能及时解决，基本需求得不到满足，大大影响各种赛事、演出及活动的客户体验。

2 系统硬件设计方案

2.1 解决方案

2.1.1 对传统的公厕改造

结合公厕用户的需求，通过无线通信（ZigBee协议，Modbus协议等）、物联网（云服务器[3]）、等技术实现公厕的智能通风、智能照明、智能除臭等，以提升公厕服务品质、优化管理质量为目标，从设计、应用、管理上实现线下技术应用及线上可视化管理 。

2.1.2 公厕智慧管理

智慧管理侧重于通过各类传感器技术采集、无线通信传输、云平台存储，并实现对公厕运营过程中产生的数据进行分析和统计，通过监控指挥平台实时进行远程管控，以实现对公厕的环境检测及控制。智慧公厕是将公厕改造和智慧管理两者有机结合，通过改造公厕基础设施，提升公厕服务质量。通过对公厕各类传感器数据的采集分析可快速发现问题并解决问题，为用户提供良好的如厕环境。智慧公厕解决方案采用物联网技术架构，依托大数据、智能传感、移动互联网与 PC 端云计算技术，对公厕服务所涉及的人、物、事进行全过程实时管理。合理设计规划公厕管理模式，提升公厕保洁作业质量，降低公厕运营成本，提高应急处理能力，实时掌握一线管理和作业水平，提高管理效率，为日常经营管理和决策提供强有力的数据支持[4]。

1）公厕设备

通过人流量计数摄像头，采集人流信息，再通过公厕外的显示器显示人数。通过温湿度传感器，采集公厕内部环境参数，从而采取相应措施处理、通过一键报警按钮，改善公厕使用安全性，人体热感应红外装置坑位检测。同时，采用智能电表、智能水表、智能皂液设备、人脸识别取纸设备。

使用智能除臭设备、除湿设备、智能热水设备（采用太阳能）、智能照明设备，进行二氧化碳空气检测、有毒气体检查、PM2.5空气检测。

2）公厕现场服务系统

广告投放，公厕远程协助检修，公厕检查登记，公厕人流信息显示，环境显示，坑位引导显示。

3）智慧公厕小程序

公厕状况远程监测，公厕远程控制，云端管理平台。

3 总体设计方案

3.1 传感器信息采集

该装置采用的是人体感应热释体红外检测传感器HC-SR501，其人体红外感应模块 是基于红外线技术的自动控制产品。灵敏度高、可靠性强、超低功耗，超低电压工作模式[5]。广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品，其工作原理是：人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。同时可预留光敏控制模块位置，设置光敏控制，白天或光线强时不感应。

3.2 总体变量数据采集模块

采用485通讯方式，将采集的人流数据等传送到内置核心板中，对数据进行分析，同时采取一定动作反应，例如排水冲洗等等[6]。通过控制线播控机可以及时发出播控指令，也可以随时读取录像机、切换台、还有视频服务器的状态。以上只是播控机房的系统控制图。上载、总控机房的系统控制大致和这相同。RS422总线、RS485和RS422电路原理基本相同，都是以差动方式发送和接受，不需要数字地线。差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因，这正是二者与RS232的根本区别，因为RS232是单端输入输出，双工工作时至少需要数字地线、发送线和接受线三条线(异步传输)，还可以加其他控制线完成同步等功能。计算机控制在广电播控系统中运用会越来越广泛，而且随着计算机技术的不断发展，智能化也会不断提高，系统也会更加庞大，这就要求我们能更深入了解计算机的基础理论，这样才能更深入的了解系统，维护系统，保证系统的安全稳定运行，更好的保障安全 播出。

3.3 技术实现-智能化控水控电设备

3.3.1 传动方案设计

老式冲水装置利用的是浮力构造，利用浮力球带动的普通杠杆，当注入水槽里的水达到一定高度时，浮力球会带动杠杆装置进行冲水工作，但是这种装置会一直工作，无论是否有人使用厕所。而基于这种装置，我们进行一定的改进，利用传感器模块，使用智能杠杆，对水槽的进出水装置进行控制。利用同样的原理，可以对电灯进行控制。

3.3.2 结构设计

综合考虑，将本装置设计为三个单元，即控制单元a、信息收集单元b、转动单元c。控制单元采用单片机的操作原理，对硬件层进行定向控制，将各个模块结合起来，信息收集单元采用的是激光传感器定向收集使用者的动作状态，从而让控制单元更好的控制转动模块，达到一定的目的。

3.3.3 信息收集单元

信息收集单元采用的是两束激光传感器A、B，通过安装在门框的两束平行的激光传感器A、B，采集到进入厕所的人，当有人通过门时，传感器A首先接收到信号，B再次接收到信号，定义为进入；反之，当传感器B接收到信号，其次A再接收到信号，定义为出去；当传感器接收到信号时，反馈值给控制的系统，系统再控制转动装置。

3.3.4 转动单元

转动单元采用的是智能杠杆，通过步进电机控制的杠杆转动，结合继电器的步进电机，在中央控制器单片机的控制下，进行一定的转动，从而控制注水口与出水口的开关。采用5V 1A的步进电机控制杠杆，通过单片机设定好的程序代码，进行工作，杠杆一端X连接阻水塞，另一端Y连接控制出水口的阻塞，将5V 1A的步进电机安装在支点处。通过计算使用25cm的杠杆最为省力，降低步进电机的工作环境要求，并且也保证了使用者的人身安全。

3.3.5 具体流程

1）控水设备

首先设备处于休息状态，注水口的阻塞关闭，出水口的悬塞打开。当有使用者通过激光传感器时，通过信息收集单元，如果当A传感器接收到信号时，反馈信号给中央控制器，中央控制器给出一个低电平传输到控制杠杆的步进电机，通过步进电机控制杠杆端，使X端上拉，Y端下降，系统进行注水工作，（如果可设计另有一种方案，当注水时，B传感器接收到信号时，智能杠杆控制X端下降Y端上升）延时设置为5min（根据实地的水槽计算，注满水所需要的时间），延时过后，中央控制再次给出一个低电平，让步进电机控制智能杠杆，控制X端下降，Y端上升，进行冲洗工作，冲洗完毕后，即结束一个循环。

2）控电设备

该设备根据光线以及人流控制公厕的灯，节约电力资源的浪费， 当外界已有的光照强度大于室内的光照强度时，光敏电阻无限大致使电路实现断路，人流传感器保持工作状态无法工作，当外界的光照强度较小时，光敏电阻的阻值会减小，使电路导通即处于工作状态，电路形成一个闭合环路，但此时灯的开关并没有打开，需要人流传感器的触发，才能使电灯点亮。该装置增加总阀控制电路，把开关设计在对厕所供电的总线上，利于直接控制电的工作，也增加了一定程度的安全性能，避免引起由于电通过水流造成的安全事故。同时，该设备还利用智能电表，采集用电情况，并能及时将数据传递至智能云端，有利于数据的采集和后期分析利用。该设备将市电220V通过变压器调至一定的低压为系统供电，保证了电磁阀门、灯具、传感器等进行工作。

图1 控水原理图解

4 控水的流程原理系统流程图如图1所示